Nei cristalli liquidi, le molecole si dispongono automaticamente in modo ordinato. I ricercatori dell'Università del Lussemburgo hanno scoperto un metodo che consente uno stato anti-ordinato, che consentirà nuove proprietà dei materiali e potenzialmente nuove applicazioni tecniche, come i muscoli artificiali per la robotica morbida. Hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista scientifica Progressi scientifici .

Il gruppo di ricerca del Prof. Jan Lagerwall dell'Università del Lussemburgo studia le caratteristiche dei cristalli liquidi, che può essere trovato in molte aree che vanno dalle membrane cellulari del corpo ai display in molti dispositivi elettronici. Il materiale combina mobilità e flessibilità simili a un liquido e l'ordine a lungo raggio delle sue molecole; quest'ultima è per il resto una caratteristica tipica dei cristalli solidi. Ciò dà origine a proprietà notevoli che rendono i cristalli liquidi così versatili da essere scelti per svolgere funzioni vitali sia dalla natura che da aziende miliardari.

Molte delle proprietà di un materiale dipendono dal modo in cui sono disposte le sue molecole. Dalla fine degli anni '30, i fisici usano un modello matematico per descrivere l'ordine molecolare dei cristalli liquidi. Il cosiddetto parametro d'ordine assegna un numero che indica quanto sono ben ordinate le molecole. Questo modello utilizza un intervallo positivo per descrivere i cristalli liquidi a cui siamo abituati. Può anche assegnare un intervallo negativo che descrive uno stato "anti-ordinato", dove le molecole eviterebbe una certa direzione piuttosto che allinearsi lungo di essa.

Finora, questo intervallo negativo è rimasto strettamente ipotetico, poiché nessun cristallo liquido ha sviluppato in pratica uno stato anti-ordinato. Le teorie standard per i cristalli liquidi suggeriscono che un tale stato è possibile, ma non sarebbe stabile. "Puoi paragonarlo a una diapositiva che ha una protuberanza molto leggera nel mezzo. Potresti rallentare quando raggiungi la protuberanza, nel nostro caso lo stato anti-ordinato instabile, ma non abbastanza così ti fermi, e perciò scenderai fino allo stato stabile, il minimo energetico globale, dove inevitabilmente si finisce con l'ordine positivo. Se riuscissi a fermare la corsa al dosso, un intervallo negativo sarebbe possibile, " spiega Jan Lagerwall.

Questo è esattamente ciò che V.S.R. Jampani, l'autore principale del saggio, e collaboratori raggiunti per la prima volta nel loro studio. "Il trucco per impedire al sistema di raggiungere il minimo energetico globale è polimerizzarlo delicatamente in una rete connessa in modo lasco mentre è sciolto in un normale solvente liquido, " dice il dottor Jampani. "Questa rete viene quindi allungata in tutte le direzioni all'interno di un piano, o compresso lungo un'unica direzione perpendicolare al piano, tale che le molecole che formano la rete si allineino nel piano, ma senza alcuna direzione particolare in quel piano." Man mano che il solvente evapora si forma la fase di cristallo liquido e, a causa del peculiare allungamento in piano della rete, è costretto ad adottare lo stato del parametro di ordine negativo in cui le molecole evitano la direzione della normale al piano. "Questo cristallo liquido non ha altra scelta che accontentarsi del minimo di energia secondaria, poiché il minimo energetico globale è reso inaccessibile dalla rete, " aggiunge Lagerwall.

Quando la rete viene rafforzata da un secondo ciclo di polimerizzazione, il comportamento in funzione della temperatura può essere studiato. "Le reti di cristalli liquidi sono affascinanti per il parametro di ordine positivo e negativo, perché l'ordinamento - o anti-ordinamento - in combinazione con la rete polimerica gli consente di cambiare spontaneamente la sua forma in risposta ai cambiamenti di temperatura. La rete a cristalli liquidi è effettivamente una gomma che si allunga o si rilassa da sola, senza che nessuno applichi una forza, " dice il prof. Lagerwall.

Risulta che il comportamento della gomma a cristalli liquidi con parametro di ordine negativo è esattamente opposto a quello delle normali gomme a cristalli liquidi. "Otticamente, quando una normale gomma a cristalli liquidi mostra un certo colore tra polarizzatori incrociati, la versione del parametro di ordine negativo mostra il colore complementare. Meccanicamente, quando una normale gomma a cristalli liquidi si contrae lungo una direzione e si espande nel piano perpendicolare ad essa, il parametro di ordine negativo gomma si espande lungo la prima direzione e si restringe nel piano perpendicolare, " spiega Lagerwall.

I ricercatori hanno creato le loro gomme a cristalli liquidi con parametro di ordine negativo sotto forma di gusci sferici di dimensioni millimetriche, che poi tagliano in pezzi più piccoli con varie forme. A seconda di come è stato effettuato il taglio, si potrebbe realizzare una varietà di comportamenti che cambiano forma, dimostrando che il sistema può funzionare come un "attuatore morbido, " effettivamente un muscolo artificiale. Poiché le gomme a cristalli liquidi di ordine negativo e positivo agiscono in modi opposti, questo apre a modi interessanti per combinare i due, per realizzare un attuatore composito più efficace, per esempio per la robotica morbida. Quando l'attuatore di ordine positivo risponde lentamente, quello di ordine negativo si attua rapidamente, e viceversa. Da un punto di vista della fisica fondamentale, l'esistenza fisica dello stato di cristallo liquido anti-ordinato precedentemente previsto solo teoricamente apre a molti esperimenti interessanti e allo sviluppo di teorie per il comportamento della materia soffice auto-organizzata.